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代謝是生命體的基本特征，代謝紊亂跟多種重大疾病密切相關。目前基于質譜的非靶向代謝組學研究大多是“靜態分析”，即在某個時間點采樣分析，難以測定生物體內代謝物合成和降解等動態變化規律。代謝流分析技術通常采用穩定同位素示蹤 (Stable-isotope tracing) 實驗來追蹤穩定同位素在代謝物中的流向，進而通過測定代謝網絡中代謝物的同位素分布來計算代謝物合成和降解等動態變化規律。但是，當前代謝流分析大多只靶向分析特定的代謝通路，如糖酵解、三羧酸循環、氨基酸代謝、脂肪酸代謝等，難以全面地對整個代謝組的動態變化進行大范圍檢測和解析，且限制了發現新的代謝通路和代謝反應。為了對生命體的整個代謝組進行全面的代謝流動態分析，朱正江課題組結合了前期發展的大規模代謝物結構鑒定技術MetDNA（Nature Communications, 2019, 10: 1516）和穩定同位素標記代謝物檢測技術，發展了基于穩定同位素標記的非靶向代謝流組學技術MetTracer。該技術具有以下特點：1，追蹤覆蓋范圍高，能夠對上千個代謝物同時進行穩定同位素標記的追蹤；2，對穩定同位素標記代謝物的定量準確性高且可重復性好；3，大規模數據分析的假陽性低。

圖1. 基于穩定同位素標記的代謝流組學技術MetTracer。（圖片來源：Nature Communications）

果蠅是衰老研究中常用的模式動物。該工作首先用[U-¹³C]-葡萄糖喂養果蠅，然后解剖果蠅的腦組織和肌肉組織進行非靶向代謝流組學的分析，在腦組織和肌肉組織中分別追蹤到390個和597個標記的代謝物。通過多個時間點標記程度的聚類分析表征了代謝物可以根據標記速率分為高、中、低標記速率三類，分別富集于糖相關代謝、氨基酸相關代謝和嘌呤代謝脂肪酸合成等代謝通路。該工作重點對年輕果蠅和衰老果蠅進行了代謝穩態變化的系統性分析。相關研究發現，衰老能夠調控代謝物之間的代謝關聯，在果蠅衰老過程中，腦組織內、肌肉組織內、腦組織和肌肉組織間關聯代謝物數目均有明顯降低，即衰老伴隨著系統層面的組織內和組織間的代謝穩態丟失。值得一提的是，該工作還發現果蠅衰老過程中存在糖酵解代謝減弱、絲氨酸代謝增強的代謝轉變，這為衰老相關的代謝調控研究提供了新的思路和潛在干預手段。

圖2. 果蠅衰老過程中的代謝穩態變化。（圖片來源：Nature Communications）

為了方便生命科學領域研究者處理穩定同位素標記的代謝流組學數據，課題組提供了docker供學術界用戶免費使用MetTracer軟件（https://hub.docker.com/r/zhulab/mettracer-r）。該工作所開發的非靶向代謝流組學技術MetTracer已經申請了國家發明專利，MetTracer軟件也申請了國家軟件著作權的保護。相關技術和軟件的商業用途需要聯系朱正江研究員進行授權使用。

該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、上海市科委等的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31268-6